Die Technologie des thermischen Spritzens wurde im Rahmen des Workshops Moderne Beschichtungsverfahren ausführlich behandelt. Mit den Verfahren des thermischen Spritzens werden primär funktionelle Beschichtungen hergestellt, also solche, die mechanischen Belastungen oder starker Korrosion widerstehen müssen. Ein Vorteil der Technologie ist die Möglichkeit, aus einem großen Spektrum an stark belastbaren Werkstoffen auswählen zu können. Allerdings handelt es sich um ein Verfahren, bei dem pro Prozessdurchgang nur jeweils ein Werkstoff mit einer sehr begrenzten Auftragsfläche bearbeitet werden kann, also bei hohen Stückzahlen lange Gesamtbeschichtungsdauern notwendig sind. Deutlich schneller, bei ebenfalls hohen Schichtdicken sind die Tauchschmelzverfahren, primär als Feuerverzinkung in der Anwendung. Umfangreich ist die Auswahl an Verfahren zur Prozesskontrolle bei den thermischen Spritzschichten, die eine hohe Schichtqualität gewährleisten. Alle aufgeführten Verfahren lassen deutlich erkennen, dass jede Technologie ihre Daseinsberechtigung hat und Ausdehnungen der Verfahren zur Substitution bisher verwendeter Verfahren nur sehr begrenzt möglich sind, sowohl aus technischer, aber vor allem auch aus wirtschaftlicher Perspektive.
Fortsetzung aus WOMag 5/2020
Verschleißschutzschichten
Die Herstellung von Verschleißschutzschichten durch Auftragslöten ist das Thema von Dr. Harald Krappitz. Einsatz findet diese Verfahrenstechnologie beispielsweise im Bereich der Automobilherstellung in Form des Ofenlötens oder für die Reparatur von Triebwerkschaufeln in der Luftfahrt. Prinzipiell wird Löten in zwei Bereiche unterteilt: Weichlöten bei Temperaturen bis 450 °C und Hartlöten bei Temperaturen von mehr als 450 °C. Ein weiteres Charakteristikum ist, dass - im Gegensatz zum Schweißen - der Grundwerkstoff nicht aufschmilzt.
Für das Hartlöten werden zum Beispiel Werkstoffe auf Basis von Aluminium als spezielles Lot verwendet; üblich sind darüber hinaus Lote auf Basis von Silber, Kupfer/Kupferlegierungen, Nickel, Eisen und für besonders hohe Temperaturen Platin/Palladium-Lote. Wichtige Kenngrößen für das Löten sind die Ausbreitungsdistanz des Lots aufgrund von Benetzung sowie die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lots.
Im Bereich der Beschichtungen spielt das Löten für die Reparatur von Bauteilen eine wichtige Rolle, beispielsweise bei Turbinenschaufeln. Hierzu werden Folien als Sinterbleche oder flexible Bänder als Mischung aus Werkstoff der Turbinenschaufel und einem Lot verwendet. Durch das Erhitzen im Ofen entsteht dadurch eine relativ glatte fehlerfreie Oberfläche, die mechanisch durch Schleifen in die Endform gebracht werden kann. In ähnlicher Art und Weise lassen sich die Außenkanten von Turbinenschaufeln am Ende der Nutzungsdauer wieder aufbauen. Für diesen Einsatzfall werden Lote mit kubischem Bornitrid in MCrAlY aufgebracht.
Schematische Darstellung des BrazeCoat-Verfahrens (Quelle: H. Krappitz)
Ein weiterer Anwendungsbereich ist das Löten von Sinterhartmetallen, wie sie für Schneidwerkzeuge eingesetzt werden. Hierfür werden Hartmetallplatten in einen metallischen Trägerkörper eingelötet. Eine Herausforderung ist dabei das unterschiedliche Ausdehnungsverhalten von Trägerstahl und Hartmetall, vor allem aufgrund der Änderung der Ausdehnung am Umwandlungspunkt zwischen Austenit und Martensit. Das Lot verhält sich hier wie das Hartmetall, so dass sich zwangsläufig Spannungen zwischen den Werkstoffen aufbauen. Abhilfe schafft eine Erhöhung der Lotschicht oder der Einbau einer Zwischenschicht; damit wird eine Verformung im Lotbereich erreicht und die auftretenden Spannungen werden abgebaut.
Ein weiteres Einsatzfeld ist das Verlöten von Diamant mit Stahl. Dabei wird dem Lot Titan oder Bornitrid zugesetzt, wodurch eine Bindung zwischen Diamant und Lot, zum Beispiel durch Bildung von Titancarbid, entsteht. Das BrazeCoat-Verfahren bietet die Möglichkeit des Verlötens von komplexen Oberflächen durch den Einsatz von Lotmatten zur Verbindung zwischen Hartstoffen und einem glatten Substrat. Dies erlaubt es, körnige Werkstoffe mit hoher Anbindung an einen Grundwerkstoff zu erzeugen. Die gute Anbindung basiert auf der vollständigen Infiltration des Lots in den Hartstoff. Solche Schichten besitzen Härten von bis zu 1200 HV. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch, dass nahezu jede makroskopische Geometrie beschichtbar ist. Selbstschmierende Schichten aus CuSn12 mit eingelagertem Graphit werden in Gleitlagern eingesetzt.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des Lötauftrags sind beispielsweise komplexe Geometrien oder Innenflächen von Rohren. Ein Vorzug ist die umfangreiche Möglichkeit der Werkstoffkombination bei gleichzeitig sehr guter Anbindung an einen Grundwerkstoff.
Lichtbogen- und Plasmaspritzen
Dr. Alexander Barth, oerlikon metco, gab in seinem Vortrag einen Einblick in das Lichtbogen- und Plasmapritzen sowie die damit herstellbaren Oberflächen. Die Oerlikon metco ist einer der wichtigsten Vertreter für das thermische Spritzen; das Unternehmen bietet Anlagen und Materialien ebenso an wie das thermische Spritzen als Dienstleistung. Dr. Barth wies darauf hin, dass unter dem Oberbegriff des thermischen Spritzens zahlreiche Unterverfahren aufgeführt sind, die meist nach der Art des zu verspritzenden Mediums sowie der Art der Strahlerzeugung benannt sind.
Einteilung der unterschiedlichen Verfahrensarten des thermischen Spritzens (Quelle: A. Barth)
Aufbau eines APS-Plasmabrenners für Gleichstrombetrieb (Quelle: A. Barth)
Funktionsprinzip des Lichtbogenspritzprozesses (Quelle: A. Barth)
Beim Lichtbogendrahtspritzen wird zwischen zwei Kontaktspritzen mit Drahtzuführung ein Lichtbogen gezündet und mit diesem der zugeführte Draht aufgeschmolzen. Durch die ebenfalls eingebrachte Druckluft werden die aufgeschmolzenen Metalltropfen auf die Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks geschleudert, wo sie erstarren und die Schicht bilden. Die herstellbare Schicht kann relativ hohe Dicken von mehreren Millimetern annehmen. Die Größe der abgelösten Partikel ist sehr inhomogen und die Geschwindigkeit der Partikel sehr unterschiedlich. Die Lichtbogentemperatur liegt im Bereich von 4000 °C bei Partikelgeschwindigkeiten von etwa 150 m/s.
Von Vorteil sind bei diesem Verfahren die hohe Menge an Material, die aufgebracht werden kann sowie die geringen Kosten und die hohe Mobilität des Verfahrens, aber auch die hohe Energieeffizienz. Nachteilig ist, dass nur elektrisch leitende Werkstoffe verarbeitbar sind. Eingesetzt werden die Beschichtungen für Reparaturzwecke sowie zur Herstellung von Korrosions- und Verschleißschutz. Als Werkstoffe kommen in großem Umfang Aluminium und Zink in Dicken von 100 µm bis 300 µm zum Einsatz. Als Schutz gegen heiße Verbrennungsgase, zum Beispiel für Teile von Turbinen, werden als Ausgangsmaterial für die Schichten Drähte beziehungsweise Werkstoffe aus NiCr 50 50 oder FeCrAl 25 5 verwendet, durch die der Verschleiß der Bauteiloberfläche um den Faktor 10 reduziert werden kann. Aufgrund der verfahrensbedingten hohen Porosität werden die Oberflächen je nach Anforderungen noch zusätzlich imprägniert. Abhängig vom Werkstoff kann eine aufgebrachte Schicht mechanisch nachbearbeitet werden.
Beim Plasmaspritzen wird ebenfalls ein Lichtbogen gezündet, wobei sich der Lichtbogen im Innenraum des Brenners befindet. Der Beschichtungswerkstoff wird als Pulver über einen Gasstrom zugeführt. Die Energieeffizienz ist deutlich geringer, als beim konventionellen Lichtbogenspritzen. Zusätzliche Leistung ist für das Kühlen der Spritzpistole erforderlich. Die Energie, die in das System eingebracht wird, hängt stark vom verwendeten Gas ab; üblich sind Stickstoff, Wasserstoff oder Argon.
Einer der Vorteile des Plasmaspritzens liegt darin, dass alle schmelzbaren Werkstoffe in beliebiger Mischung verarbeitet werden können, also neben Metallen, Legierungen auch Keramiken oder Kunststoffe. Vor allem für Verbrennungsmotoren finden Schichten aus niedrig legiertem Stahl als Ersatz für Graugussbuchsen großes Interesse. Bei Gasturbinen werden mit diesem Verfahren die Wärmedämmschichten und die Einlaufschichten für die Turbinenschaufeln aufgetragen; das Verfahren erlaubt eine gute Einstellung der Schichthärten. In der Textilindustrie und der Druckindustrie kommen vor allem Keramikschichten als Schutz gegen Verschleiß zum Einsatz. In der Medizintechnik werden Schichten aus Titan und Hydroxylapatit auf Implantate aufgetragen.
Kaltgasspritzen
Das Kaltgasspritzen, vorgestellt von Kerstin R. Ernst, Putzier Oberfächentechnik GmbH, hat viele Ähnlichkeiten mit dem thermischen Spritzen; es wird ein pulverförmiger Werkstoff mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat aufgeschossen und damit eine Schicht erzeugt. Der Unterschied zu den thermischen Verfahren liegt in der Arbeitstemperatur des Schichtwerkstoffs vor dem Auftreffen auf der Oberfläche. Bei den heißen Verfahren wird vorzugsweise thermische Energie zur Erzeugung der geschlossenen Schicht eingesetzt. Beim Kaltgasspritzen steht dagegen die kinetische Energie der Spritzpartikel im Vordergrund, während der Schichtwerkstoff im ungeschmolzenen Zustand verarbeitet wird.
Die Schichtstrukturen sind bei heißer oder kalter Verarbeitung deutlich unterschiedlich. Zudem tritt beim Kaltgasspritzen im Prinzip keine Oxidation der Schichtwerkstoffe auf. Die einzelnen Partikel unterliegen beim Aufprall auf die Substratoberfläche einer extrem starken mechanischen Verformung. Bei dieser Umformung wird zwar lokal eine hohe Temperatur erzeugt, die aber immer noch unter dem Schmelzpunkt des Beschichtungswerkstoffs liegt.
Unterschiede der Verfahren des Kaltgasspritzen in Bezug auf Temperatur und Partikelgeschwindigkeit (Quelle: K. R. Ernst)
Variationen der Schichteigenschaften ergeben sich aus den angewandten Partikelgeschwindigkeiten. Erst ab einer kritischen Geschwindigkeit, die für jeden Werkstoff unterschiedlich ist, entsteht eine Haftung zwischen Schicht und Grundwerkstoff. Bei einer zu hohen Aufprallgeschwindigkeit wird jedoch ein Erosionseffekt ausgelöst, das heißt, die auftreffenden Partikel tragen bereits vorhandene Beschichtungen wieder ab. Die Aufprallgeschwindigkeiten der Partikel müssen also zwischen kritischer Geschwindigkeit und Erosionsgeschwindigkeit liegen.
Zu berücksichtigen ist, dass nur ausreichend duktile Materialien verwenden werden können. Damit lassen sich Keramiken und Metallkarbide nur mit Aufwand und sehr begrenzt verwenden. Gut geeignet als Schichtwerkstoffe sind dagegen Metalle und Legierungen. Die besten Ergebnisse werden mit Kupfer, Silber, Zink oder Zinn erzielt.
Zu den besonderen Vorteilen des Kaltgasspritzens mit den genannten Metallen zählt, dass keine Oxidation der Werkstoffe erfolgt, so dass sie sich sehr gut für elektrische Anwendungen eignen. Zudem besitzen die Schichten aufgrund der hohen Umformung hohe Härten beziehungsweise Festigkeiten.
Die ersten Anlagen zum Kaltgasspritzen kamen ab etwa 2001 auf den Mark. Verfügbar sind Hochdruckanlagen, in der Regel robotergeführt, und solche mit niedrigem Druck (etwa 8 bar), die manuell geführt und damit sehr flexibel einsetzbar sind. Wichtig ist eine ausreichende Absaugung der überschüssigen Partikel zur Gewährleistung des Arbeitsschutzes beziehungsweise eine Einhausung. Als Arbeitsgas wird vorzugsweise Stickstoff verwendet. Je nach eingesetztem Spritzwerkstoff sind Parameter wie Gasdruck, Düsenart oder Spritzabstand von Fall zu Fall einzustellen. Neben dem vollflächigen Einsatz wird als Neuerung auch eine additive Fertigung mittels Kaltgasspritzen entwickelt, wobei Eigenschaften wie gute Steuerbarkeit des Werkstoffs, der Schichtdicke und -dichte oder der Werkstoffkombination vorteilhaft sind.
Die aufgebrachten Werkstoffe stehen unter Druckeigenspannungen, was sich positiv auf die Dauerstandfestigkeit auswirkt. Schließlich zeichnet sich die Technologie durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Wichtig ist die Einhaltung einer hohen Pulverqualität, da die Schichteigenschaften stark von dessen Qualität abhängen. Vorteilhaft für potenzielle Anwendungen ist, dass Werkstoffübergänge mit guter Anbindung herstellbar sind. Die aufgebrachten Schichten lassen sich zudem in der Regel sehr gut mechanisch nachbearbeiten und damit auch strukturieren. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren für die Metallisierung von Aluminiumbauteilen, aber auch für die Erzeugung von Gradientenschichten aus Metall mit und ohne Keramikpartikel (Dispersionsschichten).
Beispiel für herstellbare Schichtvarianten (Quelle: K. R. Ernst)
Flamm- und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
Das Flamm- und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ist ein weiteres Verfahren des thermischen Spritzens; damit befasst sich Dr. Oliver Brand, Becon Technologies GmbH. Das Flammspritzen ist seit über 100 Jahren in unterschiedlichen Ausführungen in Anwendung und zählt zu den ältesten Arten des thermischen Spritzens.
Ein besonderes Merkmal ist die hohe Flexibilität der Technologie, da sie im Extremfall per Hand mit Spritzpistole für die Beschichtung eingesetzt werden kann. Relativ geringe Ansprüche stellt das Verfahren an die Genauigkeit des eingesetzten Spritzpulvers. Schließlich eignet sich das Verfahren auch zur thermischen Nachbehandlung von aufgespritzten Schichten, beispielsweise durch nachträgliches Anschmelzen der Schicht und damit deren geometrischer oder mechanischer Anpassung. Die Schichtwerkstoffe können sowohl in fester Form als Draht oder als Pulver dem Prozess zugeführt werden. Weit verbreitet und seit langem in der Anwendung ist das Spritzen von Molybdän auf Synchronringen oder Kolbenringen, die in Fahrzeugen verwendet werden.
Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird die kinetische Energie genutzt, um Schichten mit hoher Haftfestigkeit und optimierten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Dies erlaubt das Auftragen von Partikel- beziehungsweise Werkstoffmischungen. Je nach Einsatz oder Art der Beschichtung stehen verschiedene Spritzpistolen, das wichtigste Elemente des Verfahrens, zur Verfügung. Ein Charakteristikum des Verfahrens ist die hohe Partikelgeschwindigkeit, die in der Regel im Bereich der Schallgeschwindigkeit liegt. Die hohen Partikelgeschwindigkeiten führen zu einer Art Verschmieden der Partikel.
Da die Technologie insgesamt relativ hohe Kosten verursacht, werden bevorzugt Pulver verarbeitet, die mit anderen Verfahren nicht aufgetragen werden können, was dem Verfahren eine Berechtigung als Nischentechnologie verleiht; diese speziellen Werkstoffe sind in erster Linie Hartmetalle. Ein Beispiel ist pulverförmiges Wolframcarbid (z.B. WC17Co) mit Korngrößen im Bereich von 5 µm bis 50 µm. Daraus lassen sich sehr dichte und porenarme Schichten (ca. 2 % Porenanteil) gewinnen. Derartige Schichten zeichnen sich durch eine sehr hohe Verschleißbeständigkeit aus.
Besonders geeignet für eine Beschichtung sind rotationssymmetrische Körper, wobei auch ebene Flächen beschichtbar sind. Umfangreiche Anwendung findet das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen für die Reparatur von großen Maschinen und Anlagen, auch ohne das Substrat zuvor entschichten zu müssen. Vorteilhaft für die Erhöhung der Haftung ist allerdings ein Reinigungsstrahlen vor dem Beschichten. Die Technologie kommt unter anderem auch für die Beschichtung von Flugzeugfahrwerken zum Einsatz und ersetzt damit nach Ansicht des Vortragenden die bisher übliche Hartverchromung.
Laserpulverauftragschweißen
Einen Einblick in die Beschichtung durch Laserpulverauftragschweißen gab Dr. Felix Tiggemann, Flowserve Flow Control. Für die Beschichtung stehen im Unternehmen des Vortragenden verschiedene Anlagen zur Verfügung. Das Verfahren arbeitet je nach Anforderung mit einer Leistung von 40 kW bei Wellenlängen von 940 nm bis 1020 nm. Mit dem Laser wird auf dem Bauteil ein Schmelzbereich erzeugt und in diesen das Beschichtungspulver zugegeben. Je nach Werkstoff wird mit einem Schutzgasmantel um den Schmelzpunkt gearbeitet. Die Auftragsleistung einer entsprechenden Anlage liegt bei 1 kg/h bis 5 kg/h. Die Technologie zeichnet sich durch eine geringe Aufmischzone auf dem Werkstoff aus, wodurch das Grundmaterial nicht geschädigt wird. Weitere Vorteile sind eine hohe Pulverausnutzung und die Möglichkeit von 3D-Strukturen. Zudem sind Kombinationen mit thermischem Spritzen und damit verschiedene Schichtvarianten (Korrosionsschutz mit Verschleißschutz) möglich.
Neuartige Düsen erlauben die Zuführung des Pulvers in mehreren Strahlen, wodurch beispielsweise die Auftragsraten steigen oder die Schichtverteilung im Sinne der additiven Fertigung sehr variabel wird. Einsatzgebiete sind die Beschichtung von Ventilen mit Inconel 625, die nach dem Beschichtung eine Feinbearbeitung erfahren. Die Schichten zeigen eine sehr geringe Porosität, Rissfreiheit und eine exzellente Anbindung an den Grundwerkstoff. Zudem liegen die Grade der Pulvernutzung im Bereich von 80 %. In einem weiteren Beispiel wurde mit einer Laserleistung von 6,3 kW der Werkstoff 1.4462 in drei Lagen von je etwa 100 µm vollständig porenfrei aufgetragen. Die Leistung der Anlage liegt bei 0,5 m2 pro Stunde. Für eine Kombinationsschicht aus Verschleiß- und Korrosionsschicht wird Cr3C2/NiCr im Verhältnis 75 % zu 25 % aufgetragen.
Werkstoffe
Für das thermische Spritzen und das Auftragschweißen müssen die verwendeten Schichtwerkstoffe in unterschiedlichen Ausführungen und Qualitäten verfügbar sein. Tim Erpel, Durum Verschleißschutz GmbH, stellte die Werkstoffarten und deren Einsatzfälle vor. Vom Unternehmen des Vortragenden werden die Werkstoffe insbesondere als Pulver, Elektroden oder in Form von Fülldrähten angeboten. Fülldrähte sind in Dicken zwischen 1,2 mm bis zu 4 mm verfügbar. Daneben bietet die Durum Verschleißschutz GmbH auch Auftragsbeschichtungen an und in Zusammenarbeit mit anderen Anbietern auch vollständige Spritzanlagen. Im Fokus des Unternehmens steht die Herstellung von Oberflächen als Schutz gegen Verschleiß.
Die Werkstoffe für das thermische Spritzen sind in den Normen DIN EN 1274 und DIN EN ISO 14919 näher beschrieben und deren Eigenschaften festgelegt. Derzeit geht der Trend zu immer feineren Pulvern, da damit dünnere Schichten mit geringerer Porosität hergestellt werden können. Für feine Pulver eignen sich Fülldrähte aufgrund der besseren Handhabung sehr gut. Ein weiterer Trend geht zu Formen mit geringem Fließwiderstand, um für eine ausreichend gute Fließfähigkeit in den Spritzdüsen zu sorgen, also vorwiegend runde Pulver.
Ausgangspunkt sind in der Regel sehr feine Partikel im Bereich von deutlich unter 1 µm. Diese werden durch verschiedene Arbeitsschritte in die gewünschte Form, Größe oder Porosität gebracht. Die optimalen Partikelgrößen sind für die verschiedenen Verfahren unterschiedlich; für das Plasma- und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen sollten diese einen geringeren Durchmesser, für das Laserauftragschweißen einen höheren Durchmesser aufweisen.
Die Fülldrähte werden durch schrittweises Umformen eines Bandes, füllen der Vorform und Endumformung zu einem Rohr hergestellt. Wichtig ist hierbei das Verhältnis von Füllung zu Rohrwerkstoff. Fülldrähte haben den großen Vorteil, dass schnell und einfach unterschiedliche Pulverchargen herstellbar sind; zudem sind auch spröde Materialien gut verarbeitbar.
Besonders verschleißbeständige Oberflächen werden beispielsweise in der Papierverarbeitung für Walzen benötigt. Die Walzen weisen sehr hohe Abmessungen und Querschnitte auf, weshalb mit entsprechender Anlagentechnik große Mengen an Schichtmaterial verarbeitet werden müssen. Auch Industriepumpen in der Rohstoffförderung sind mit hochbelastbaren Bauteilen ausgestattet.
Für höhere Schichten prädestiniert ist die Technologie des Auftragschweißens. Je nach erlaubter Eindringtiefe der thermischen Energie werden die Verfahren Flammauftragschweißen oder Laserauftragschweißen herangezogen. Hier spielen vor allem die Auftragsgeschwindigkeiten eine große Rolle, um die Kosten für die Beschichtung geringzuhalten. Häufig genutzt werden für das Auftragschweißen verschiedene Stahlsorten und Hartlegierungen beziehungsweise Hartstoffe. Auftragschweißen wird unter anderem bei großen Flächen in Form von Verschleißplatten bei der Rohstoffgewinnung oder Schichten auf Walzen für die Rohstoffverarbeitung angewendet. Dafür werden in großem Umfang unterschiedliche Karbide als Auftragswerkstoffe hergestellt.
Fertigbearbeitung von Schichten
Jörg Backhaus, Botec GmbH, gab einen Einblick in die Möglichkeiten der Endbearbeitung von Schichten für den Verschleißschutz. Die Botec GmbH zählt zu den klassischen Dienstleistern für die Beschichtung; zu den angebotenen Verfahren zählen das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS). In der Regel zeigen Teile aus thermisch gespritzten Beschichtungen eine mehr oder weniger starke Rauheit. Diese ist in bestimmten Anwendungen – zum Beispiel bei Synchronringen mit Molybdän, Teilen für Textilmaschinen – durchaus nützlich. Für eine gleichmäßig raue Beschichtung ist zunächst Voraussetzung, dass das Rohteil über alle erforderlichen Abmessungen und Oberflächenqualitäten verfügt. Zudem ist bei den verschiedenen Arten von Pulver zu berücksichtigen, dass eine gleichmäßige Zuführung auf die Oberfläche unterschiedlich aufwendig sein kann; dies gilt beispielsweise für keramische Pulver, die teilweise einen stockenden Zufluss in die Flamme des Brenners zeigen. Daraus ergeben sich dann zusätzlich Oberflächenrauheiten, wie beispielsweise bei AlSi 316L als Schichtwerkstoff.
Aufgrund der verfahrensbedingten Rauheiten ist bei vielen Anwendungen der Beschichtung eine mechanische Nachbearbeitung durch Drehen, Fräsen, Schleifen, Honen, Läppen oder Bürsten erforderlich. Eine spanende Bearbeitung setzt voraus, dass die unterschiedlichen Zerspanungsbedingungen von Grundwerkstoff und Schichtwerkstoff berücksichtigt werden. Hier spielen zum Beispiel die unterschiedlichen Porositäten oder die enthaltenen Hartstoffanteile in der Schicht ein wichtige Rolle. Des Weiteren ist darauf zu achten, dass die Haftung zwischen Schicht und Substrat ausreichend hoch ist oder lokale thermische Belastungen zur Schädigung der Schicht führen können.
Für das Drehen empfehlen sich beispielsweise Wendeschneideplatten mit CBN-Belegung. Erzielbar sind Rauheiten von Ra < 1,6 µm. Durch ein nachfolgendes Finishing können die Werte auf Ra < 0,8 µm reduziert werden. Die Schnittgeschwindigkeiten der Bearbeitung weichen in der Regel von denen einer konventionellen Bearbeitung ab und sollten für die verschiedenen Schichten im Vorfeld ermittelt werden. Als hilfreich hat sich die Unterstützung des Drehvorgangs durch Laser erwiesen, mit dem die Zone vor dem Schnittbereich auf Temperaturen über 1000 °C erwärmt wird. Allerdings ist die Technologie bisher nur bei großen Stückzahlen sinnvoll.
In großem Umfang wird das Schleifen für die Endbearbeitung genutzt. Dazu lassen sich häufig die Einrichtungen für das Drehen und Fräsen verwenden, unter Einsatz geeigneter, spezieller Werkzeuge. Parameter des Schleifens sind beispielsweise die Art des Schleifmittels, die Schnittgeschwindigkeit, der Vorschub, Kühlschmierstoffe oder Zustellung. Erreichbare Rauheiten der Werkstückoberfläche liegen im optimalen Fall bei Werten unter Ra 0,1 µm. Grundsätzlich liegen die Prozesszeiten für das Schleifen deutlich über denen für das Drehen. Als Schleifmittel werden vor allem Diamant, CBN, Siliziumcarbid oder Aluminiumoxid verwendet. Vor allem mit Diamant lassen sich hohe Schnittwerte ohne merklichen Wärmeeintrag erreichen.
Besondere Anforderungen ergeben sich bei Bauteilen mit unterschiedlichen Werkstoffbereichen, beispielsweise bei Hülsen mit freiliegenden Zonen des Grundwerkstoffs. Hier ist es unter Umständen notwendig, mit mehreren Werkzeugen zu arbeiten. Die Schleifscheiben mit Diamant bestehen in der Regel aus einem Keramikgrundkörper mit einer Diamantschicht in Keramikbindung. Solche Scheiben werden für jeden Kunden als Sonderanfertigung hergestellt, zu hohen Kosten und mit längerer Lieferzeit von einigen Wochen. Erzielt werden mit den Verfahren Rauheitsklassen zwischen N4 und N5.
Sollten noch geringere Rauheiten benötigt werden, bietet sich das Verfahren des Microfinishing an. Hierfür wird ebenfalls Diamant als Schleifkörper verwendet, der zum Beispiel auf einer Trägerfolie aufgebracht ist. Aufgrund des geringen Abtrags sind die Bearbeitungsdauern für das Schleifen sehr hoch. Im Sonderfall sind damit Rauheitsklassen von N1 bis N2 erreichbar, allerdings zu hohen Kosten und langen Bearbeitungsdauern.
Im Vergleich zu Hartchromschichten für Walzen stehen die Kosten für die Nacharbeit als deutlicher Nachteil bei thermisch gespritzten Schichten im Raum. Insbesondere bei gleichmäßigen Flächen bietet die Galvanotechnik deutliche Vorteile, während aufwendigere Geometrien – zum Beispiel partiell unterschiedliche Schichtdicken – durchaus besser mittels thermischem Spritzen realisierbar sind.
Tauchbad- und Sinterbeschichtung
Dr. Ulrich Holländer, Leibniz Universität Hannover, befasste sich in seinen Ausführungen mit den Grundlagen der Tauchbad- und Sinterbeschichtungen, eine Verfahrenstechnik, die viele Gemeinsamkeiten mit dem Löten aufweist. Als bekannteste Tauchbadbeschichtung gilt das Verzinken im Schmelztauchverfahren (auch unter Feuerverzinken bekannt) als eine der wichtigsten Schutzbeschichtungen von Eisenwerkstoffen. Grundlagen zum Feuerverzinken sind im Arbeitsblatt A.1 des Institut Feuerverzinken zusammengestellt. Als interessantes Detail gilt hier das Tauchen in Zinkschmelze und dessen Einsatz für Endloswerkstoffe als Durchzugsverfahren.
Zink ist vor allem deshalb für Eisenwerkstoffe als Schutzmetall geeignet, da es als Opfermetall fungiert und den sogenannten kathodischen Korrosionsschutz bewirkt. In diesem Fall wird bei relativ geringen Korrosionsraten die Zinkschicht aufgelöst und damit die Korrosion des Eisengrundwerkstoffs aufgrund elektrochemischer Potenziale zwischen Eisen und Zink unterbunden. Da die Auflösung über große Flächen der Zinkschicht bei gleichzeitig kleinen Flächenanteilen an freiliegendem Eisen erfolgt, tritt kaum lochartige Korrosion auf. Die Basis für die elektrochemische Auflösung von Eisen und Zink wird (theoretisch) mittels Potenzial-pH-Diagrammen verdeutlicht. Diese Diagramme lassen auch die Ursache für den Schutz von Eisen durch Zink aufgrund von elektrochemischen Potenzialen erkennen: Zink ist der unedle und Eisen der edle Partner bei der Kombination dieser beiden Metalle. Da das Zinkoxid eine weiße Verbindung ist, treten bei der Zinkkorrosion zudem keine unschönen Korrosionsprodukte auf, wie dies beim roten Rost der Korrosion von Eisen der Fall ist. Aufgebracht werden mittels Tauchverzinkung Schichten mit Dicken zwischen 5 µm und 200 µm, woraus sich Schutzdauern zwischen 20 Jahren und 50 Jahren ergeben.
In der Praxis werden neben reinem Zink auch Legierungen mit Eisen, Aluminium oder Silizium aufgebracht. Ein besonderes Kennzeichen der Tauchbeschichtung ist das Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Grundwerkstoff und Schicht. Reines Zink wird in Dicken von 5 µm bis 25 µm aufgebracht, während bei Legierungen zwischen etwa 5 µm und 25 µm üblich sind. Einsatz finden die Beschichtungen vor allem im Fahrzeugbau, Bauwesen oder Anlagen-/Apparatebau. Neben Zinksystemen ist auch eine Tauchbeschichtung aus etwa 88 % Aluminium und 12 % Silizium in Gebrauch, bekannt als Galfan (Schmelzpunkt um 380 °C). Zudem werden für besondere Anwendungen reine Aluminiumschichten aufgebracht.
Beim Feuerverzinken ist zu beachten, dass sich je nach Behandlungsdauer oder nachgeschalteter Wärmebehandlung unterschiedliche Kristallphasen mit verschiedenen Werkstoffeigenschaften ergeben. Der Prozess des Tauchverzinkens besteht aus einer Abreinigung von organischen Verbindungen (Öle, Fette) und Auflösung von oberflächlich vorhandenen Oxiden. Anschließend liegt eine reine Metalloberfläche vor, die mittels Flussmittel vorbehandelt wird. Die Zinkschicht entsteht durch Reaktionen in geschmolzenem Zink innerhalb weniger Minuten und verfügt über eine wichtige Übergangsphase zwischen Grundwerkstoff und Zink. Die Zinkschicht ist visuell unterschiedlich, je nachdem ob die Verzinkung als Durchlauf- oder als Tauchverzinkung vorgenommen wird. Die gut erkennbaren Zinkblumen treten bei der Durchlaufverzinkung auf und beruhen auf der geringeren Abkühlungsrate gegenüber dem Tauchverzinken.
Herstellung von metallischen Sinterbeschichtungen (Quelle: U. Holländer)
Zu den wichtigen Voraussetzungen für den Einsatz der Tauchbeschichtung gehört, dass der Schmelzpunkt des Substrats deutlich über dem des Schichtwerkstoffs liegt und die Löslichkeit des Substratwerkstoffs im Schichtmetall gering ist. Sollten diese Punkte nicht erfüllt werden können, bietet sich die Sinterbeschichtung an. Hier wird das auf das Grundmaterial aufgetragene Sinterpulver in einem längeren Prozess, aber bei niedrigeren Temperaturen auf der Substratoberfläche versintert. Gebräuchlich sind beispielsweise Bronzepulver für Gleitlager. In der Entwicklung befinden sich Verfahren zur Auftragung von Lotbeschichtungen, die relativ spröde sind. Bei diesen scheidet ein Aufwalzen aus, was bei einigen Lotwerkstoffen bereits seit längerem durchgeführt wird. Beispiele für gesinterte Lote sind B-Ni65CrP-890/950 auf Stahl. Derartige Kombinationen aus Substrat und Beschichtung können vor dem Löten auch einer mechanischen Umformung unterzogen werden. Je nach Art des Lots kann die Auftragung durch Bindemittel verbessert werden. Der Sinterprozess selbst erfolgt im Bereich über 750 °C.
Prüfen und Bewerten von Beschichtungen
Dr. David Zaremba befasst sich mit Methoden zur zerstörungsfreien Prüfung und Bewertung von Beschichtungen. Da die Dicke von Beschichtungen von wenigen Nanometern bis zu einigen Millimetern reicht, kommen zahlreiche unterschiedliche Arten an Messverfahren zum Einsatz. Die Spanne reicht im Allgemeinen von etwa 1 nm bis 100 nm im Falle von CVD-/PVD-Schichten bis zu mehreren Millimetern im Falle von Auftragslöten, Auftragsschweißen oder Walzplattieren.
Zu den wichtigen Kenngrößen zählen die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Schicht, die häufig stark von der Schichtfestigkeit beeinflusst wird. So führt beispielsweise eine hohe Schichthaftung bei nur geringer Schichtfestigkeit zur Rissbildung. Die Eigenschaften der Beschichtung zeigen sich unter anderem in Poren, Rissen oder Schichtablösungen, aber auch in auftretenden Spannungen. Dafür verfügbare Messtechniken reichen von einfachen Methoden wie Messen der Schichtdicke mittels Geometrie oder Gewicht bis zu Dickenmessung mit Schall, Magnetinduktion oder Wirbelstrom. Weitere Technologien sind Röntgenfluoreszenz, Beta-Rückstreuung, Röntgendiffraktometrie oder Thermografie.
In der Regel wird die Bewertung von Schichten durch das Erfassen und die Analyse von Fehlern sowie die Charakterisierung von Messwerten vorgenommen. Schichtdicken spielen hier eine wichtige Rolle. Dazu stellte der Vortragende die Verfahren unter Einsatz von Ultraschall vor, aus deren Messparametern unterschiedliche Werte gewonnen werden, wie Schichtdicken oder Fehlerarten. Magnetverfahren zur Schichtdickenmessung basieren auf Permanent- oder auf Elektromagneteinsatz für die Messung auf ferromagnetischen Materialen. Nichtferromagnetische Werkstoffe lassen sich mit dem Wirbelstromverfahren vermessen. Hierbei ergibt sich je nach Kombination (z. B. leitfähige Schicht auf nicht leitfähigem Substrat, oder umgekehrt) eine Messkurve in Abhängigkeit von der Frequenz, aus der sich die Schichtdicke einer Beschichtung ermitteln lässt. Zu berücksichtigen ist bei Verfahren wie der Wirbelstrommessung, dass die Auflagefläche, die Werkstoffarten oder auch die Messtemperatur in das Messergebnis oder die Messgenauigkeit eingehen können.
Prinzipien der magnetinduktiven Schichtdickenbestimmung (Quelle: D. Zaremba)
Schichtdickenbestimmung mit dem Puls-Echo-Verfahren (Quelle: D. Zaremba)
Fehler in Schichten lassen sich unter anderem durch Farbeindringprüfung charakterisieren. Die Technologie erfordert nach der Messung eine gründliche Reinigung der vermessenen Oberfläche. Weniger Aufwand erfordert die Verwendung der Wirbelstrom-Rissprüfung. Verfügbar sind hierfür beispielsweise Absolutsonde oder Differenzsonde, die sich in Anwendung und Messgenauigkeit beziehungsweise Anwendbarkeit unterscheiden. Die Technik erlaubt auch die Aufdeckung von geschlossenen Rissen, was mittels Farbeindringung nicht möglich ist.
Umfangreiche Ergebnisse liefert die Thermographie im Hinblick auf die unterschiedlichen Arten an Schichtdefekten bei zugleich kurzen Messzeiten. Ein Vorteil ist das Aufdecken von Delaminationen, die bei der Betrachtung mittels Mikroskop oder per Augenschein nicht sichtbar sind, oder das Aufdecken von Rissen.
Diagnostik
Dr. Stephan Zimmermann stellte Verfahren der Partikeldiagnostik für thermisches Spritzen vor, die maßgeblich zur Qualität der hergestellten Oberflächen beitragen. Die Partikelanalyse ist Teil der Prozessüberwachung für das thermische Spritzen. Mit den Verfahren wird insbesondere das Verhalten der Partikel ab Flamme bis kurz vor Auftreffen auf der Oberfläche verfolgt und bewertet. Für den Prozess sollten Kennwerte wie Partikelgröße, Form, Anzahl, Geschwindigkeit oder Temperatur bekannt sein. In der Praxis zeigt es sich, dass die sinnvollen Größen mit unterschiedlichen Systemen gemessen werden und die Werte gegeneinander abgeglichen werden.
Der Vortragende stellte für diese Aufgabe geeignete Systeme vor und erläuterte im Detail deren Vor- und Nachteile sowie die sinnvollen Einsatzmöglichkeiten. Durch den Einsatz von modernen Kamerasystemen, für die in der Regel Lasertechnik erforderlich ist, wird die Analyse zunehmend genauer. Derzeit wird mit etwa 50 000 Bildern pro Sekunde gearbeitet und damit ein In-situ-Bild der Partikelgeschwindigkeit und Partikelverteilungsdichte erstellt. Informationen zur Form der Partikel können über die Erfassung und Auswertung von Schattenbildern gewonnen werden. Durch eine sehr hohe Automatisierung der verschiedenen Messverfahren ist trotz komplexer Auswertung eine Nutzung mit vertretbarem Aufwand in der Praxis möglich. Die Messverfahren tragen damit deutlich zu einer Optimierung des thermischen Spritzens in der Industrie und deren Verbreitung bei.
Fazit
Das Seminar der DGM gab einen weitreichenden Überblick über unterschiedliche Methoden der Oberflächenbeschichtung und der Oberflächenbehandlung. Der überdeutliche Schwerpunkt lag hierbei auf den Verfahren aus dem Bereich des thermischen Spritzens. Hier standen nicht nur die eigentlichen Verfahren der Schichtherstellung, sondern auch Verfahren der Prozessüberwachung oder die Art der Herstellung und Verarbeitung der Schichtwerkstoffe auf dem Programm, die in erster Linie dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann dienen können. Weitere wichtige Technologien wie das Lackieren oder die galvanische Beschichtung wurden inhaltsmäßig dagegen nur sehr begrenzt dargestellt und damit weit unter ihrer eigentlichen Bedeutung in der Industrie gewürdigt.
Für die zukünftigen Veranstaltungen im Technologiebereich der Beschichtung wäre es sicher sehr dienlich, neben den Verfahrensabläufen der Beschichtung stärker auf deren Eigenschaften und Anwendungen einzugehen. Derzeit stehen viele Technologien unter der großen Herausforderung, auf Grund der Europäischen Chemikalienverordnung REACh sich mit Belangen des Arbeits- und Umweltschutzes und insbesondere mit den Möglichkeiten der Substitution bestehender Verfahrenstechniken auseinander zu setzen. Dazu sind Betrachtungen zur Toxizität, Umweltbelastungen oder Wirtschaftlichkeit detailliert zu betrachten, um nur einige Aspekte zu nennen. Daten hierzu wurden nur spärlich und mit deutlichem Diskussionsbedarf angeboten. Eine Erweiterung der Seminarinhalte würden sowohl dem Veranstalter eine höhere Wertigkeit bescheren als auch das Interesse an der Veranstaltung durch eine höhere Teilnehmerzahl ausdrücken.
